Циркадні ритми у тварин
Практично всі тварини пристосовують свої фізіологічні і поведінкові процеси до добових коливань абіотичних параметрів. Прикладом циркадного ритму у тварин є цикл сон-неспання. У людини і в інших тварин існують внутрішні годинники, які йдуть навіть за відсутності зовнішніх стимулів, що можуть дати інформацію про час доби. Дослідження молекулярно-біологічної природи цих годинників розпочалося близько 30 років тому. Конопка і Бензер, що працювали в Каліфорнійському технологічному інституті виявили три мутантних лінії дрозофіл, циркадні ритми яких відрізнялися від циркадних ритмів мушок дикого типу. Подальший аналіз показав що у мутантів мутації зачіпали аллелі одного локусу, який був названий дослідниками per (від period). За відсутності нормальних сигналів навколишнього середовища період цілодобової активності у мушок дикого типу становив 24 години, у мутантів per-s — 19 годин, у мутантів per-1 — 29 годин, у мутантів per-0 взагалі не спостерігалося ніякого ритму. Згодом було виявлено, що продукти генів per є в багатьох клітинах дрозофіл, які беруть участь в становленні циркадного ритму комахи. Більш того, у мушок дикого типу спостерігаються циркадні коливання у кількості per мРНК і білка Per в той час як у мушок per0, у яких немає циркадного ритму такої циклічності, експресії не спостерігається.
Циркадні ритми і цикл сон — неспання у людини
Періоди сну і неспання у людини змінюються з циркадною періодичністю. При дослідженні зв'язку періодичності сну і неспання із зовнішніми стимулами вивчалося зміна тривалості періоду даних коливань у людини. За відсутності таких стимулів як світло, що дозволяє людині судити про час доби, піддослідні все одно лягали спати і прокидалися в звичайний час; таким чином, період ритму сон — неспання не змінювався і протягом деякого часу залишався рівним 24 годинам, правда через деякий час він збільшився до 36 годин. Коли піддослідні повернулися в нормальні умови, то 24-годинний цикл був відновлений. Таким чином, у людини і у багатьох інших тварин є внутрішні годинники, які йдуть навіть у відсутності зовнішніх сигналів.
Одним з найпоширеніших зовнішніх сигналів є світло. У людини рецептори, що знаходяться в сітківці, реагують на світло і посилають сигнал в супрахіазмальне ядро. Подальше поширення сигналу призводить до вироблення гормонів, регулюючих циркадну активність організму. Однак при цьому такі органи як серце, печінка, нирки мають свої «внутрішній годинник» і можуть вибиватися з ритму, що встановлюється супрахіазматичним ядром. Сигнал, що поступає в шишковидну залозу, викликає синтез і виділення в кровотік нейрогормона, що викликає сон мелатоніну (N-ацетил-5-метоксітриптамін). У літніх людей виділяється менше мелатоніну, що, ймовірно, пояснює, чому старі люди частіше страждають безсонням. Більша частина дослідників вважає, що супрахіазматичне ядро відповідає за циркадні ритми і за коливання параметрів, пов'язаних з циклом сон — неспання, таких як температура тіла, тиск і продукція сечі.
Захворювання, пов'язані з порушенням циркадного ритму
У дорослих під час сну зменшується продукція сечі у зв'язку зі збільшенням вмісту антидіуретичного гормону в крові. У деяких дітей і дорослих, у яких циклічність коливань вмісту вазопресину порушено, зменшення продукції сечі в нічний час не відбувається, що призводить до неконтрольованого сечовипускання. Таке захворювання як смертельне спадкове безсоння закінчується летальним результатом і пов'язане з вродженими дефектами нейронів супрахіазматичного ядра. Цікавим є те, що подібні симптоми виникають при хворобі Крейцфельда-Якоба, коли уражуються клітини того ж супрахіазматичного ядра.
В іншу дуже важливу групу біологічних ритмів, що мають величезне значення для вищих і нижчих організмів, що входять сезонні ритми, обумовлені обертанням Землі навколо Сонця. Сезонні зміни рослинного покриву Землі, міграція птахів, зимова сплячка ряду видів тварин - це приклади ритмів з річним періодом. Сезонні коливання життєвих функцій характерні і для людини. Так, у регіонах із сезонними контрастами клімату інтенсивність обміну речовин вище взимку, ніж влітку. Холод є адекватним стимулятором функції щитовидної залози. Артеріальний тиск, кількість еритроцитів, гемоглобіну звичайно нижче в жарку пору року. Навесні і влітку у більшості людей працездатність вище, ніж взимку. Пік видатних спортивних досягнень припадає на весняно-літній та ранній осінній періоди. Добре відомо хвилеподібний процес захворювань, при якому періоди загострення змінюються тривалими ремісіями, так, туберкульоз частіше загострюється навесні, а виразкова хвороба шлунка та дванадцятипалої кишки – навесні і восени. В осінньо-зимовий та весняний періоди виявляють найбільше число первинних хворих на інсулінозалежний цукровий діабет.
Сезонні коливання фізіологічних показників у багатьох теплокровних впевною мірою повторюють добові: в зимовий період відзначається зниження обміну і рухової активності, у весняно-літній – активізація фізіологічних процесів.
Австрійський психолог Герман Свобода, німецький лікар Вільгельм Фісс іавстрійський інженер Альфред Тельчер в кінці XIX і на початку XX століття створиливідому концепцію про три ритмах, згідно з якою людині притаманні особливіритми: 23 - добовий (фізичний), 28 - добовий (емоційний) і 33 --добовий (інтелектуальний). Ставлення до неї спірне.
Коротка суть цієї концепції:
1. Всі три ритму виникають одночасно в момент народження, або ж умомент самого зачаття - утворення зиготи.
2. Всі три ритму мають строго синусоїдальної форму, не змінюється напротягом всього життя людини, і, отже, незмінну частоту, тобтотривалість періоду.
3. Позитивна частина кожної синусоїди (напівхвиль, розташована вище так званої нульової лінії, горизонталі, проведеної по середині міжмаксимумами і мінімумами) відповідає періодам підйому фізичної,емоційної та розумової активності, а негативна її частина (напівхвиль,розташована нижче зазначеної горизонталі) характеризується періодом занепаду, зниження цих видів активності. У дні підйому фізичних сил спортсмени досягають максимальних результатів, в дні спаду результати мінімальні. Аналогічно хвилеподібний перебіг зазнає емоційний і інтелектуальний потенціал людини. У позитивніх напівхвиль емоційного ритму панують оптимістичні настрої, почуття впевненості в собі, світ видається прекрасним; в негативних напівхвиль емоційне життя зміщується в мінорну фазу.
Інтелектуальні підйоми і спади коливаються в межах 33-добового ритму. Дні переходу позитивної частини кожної синусоїди трьох типів в негативну, тобто точки перетину синусоїди з нульовою хвилею, відзначені різким зниженням "надійності" організму і його стійкості до будь-яких негативних дій. Такі дні називаються критичними або нульовими. Вважають, що саме в ці дні найчастіше допускаються різноманітні помилки виробничих і побутових ситуаціях, причому небезпека появи помилок зростає в подвійні критичні дні, коли в одній точці на рівні нульової лінії перетинаються одночасно два синусоїди. Але найбільш небезпечними є потрійні критичні дні, відповідні взаємного перетину відразу трьох синусоїд і нульової лінії.
Отже, відповідно до гіпотези, всі три ритми закладені у людини з моменту народження або зачаття і потім протягом життя зберігають абсолютну сталість синусоїдальної форми і частоти (23, 28 і 33 добу .).
Б.С. Алякрінскій і С. І. Степанова (1985) дають критичний аналіз матеріальної природи цієї концепції. Саме життя постійно змінюється, рух виключає задані з моменту народження (або навіть до нього) незмінні по періоду третього ритму. Між тим відомо, що протягом життя значно змінюється ритм багатьох життєвих функцій (серцево-судинної, репродуктивної, кістково-м'язової та ін), змінюються реакції організму на екстремальні впливи та ін. Тому надання трьом ритмам граничної стабільності протягом усього життя без врахування віку, статі, типу нервової системи явно суперечать здібностями людського організму винятковою, феноменальною пластичностью, адаптації та виживання, здавалося б, в неймовірних екстремальних ситуаціях. Цілком справедливо зауваження Б. С. Алякрніского і С. І. Степанової про те, "... що найменша частка ендогенного в природі цих ритмів виключала б приписувану їм статичність. Адже ці ритми образно можна уявити собі якби відлитими з граничноміцного, що не знає руйнування матеріалу і тому володіють абсолютною твердістю і в той же час надійно вмонтованими в живу систему, яка не знає такої жорсткості ні в своїх частинах, ні в цілому. Отже, концепція ендогенної природи трьох ритмів практично немає серйозних аргументів.
У постійних умовах, тобто при максимально можливому виключенні дії синхронізаторів на людину, зазвичай відбувається зміни періоду цілодобових коливань, а в деяких випадках настає неузгодженість (десинхронізація) цілодобового ритму за частотою.
Десинхронізація спостерігається при швидких перельотів у інші поясні зони, при роботі в нічну зміну, в полярних широтах. Повторні порушення звичного добового розпорядку можуть зробити несприятливий вплив на здоров'я людини. Десинхронізація - один з патогенетичних механізмів несприятливої дії деяких факторів середовища і зміненого режиму життєдіяльності на організм людини.
Людське тіло являє собою складну систему, організовану в підчасі і просторі. При багатьох захворюваннях нормальна організація порушується і замінюється аномальною динамікою. Хвороби, що характеризуються аномальною тимчасовою організацією, називаються Динамічними хворобами.
Щоденне підвищення і зниження порогу больової чутливості наших зубів. У другій половині дня, поріг чутливості до болю зуба в півтора рази вище, аоніміння в результаті анестезії продовжується в кілька разів довше, ніж вночі. Утримання алкоголю в крові швидко зростає приблизно після 10-ї години ранку. Тому йти на прийом до стоматолога краще після обіду. Ефективність знеболювання максимальна тож незабаром після полудня: доза наркозу, необхідна вранці, вдень може виявитися надлишковою. Алергічні реакції виникають швидше і проявляються важче на початку ночі, ніж опівдні. Печінка утримує низький рівень алкоголю в крові ввечері набагато краще, ніж вранці. Поставити діагноз значно простіше, знаючи клінічну норму з урахуванням її ритмічності. Скажімо, нормальна температура тіла вночі нижче 36,6 оС, тому "нормальне" показання температури в 3 години ночі – симптом лихоманки. Аддісонова хвороба (бронзова хвороба) і хвороба Іценко-Кушинга обумовлені порушенням функції надниркових залоз (відповідно недостатністю і надмірністю), тому для їх діагностики потрібно вимірювати рівень гормону кортизолу (гідрокортизону) у крові, але з урахуванням часу забору крові. Діагноз і терапевтичні заходи можуть бути більш ефективними, якщо їх будувати на основі циркадного циклу. Багато типів клітин діляться і віддають перевагу певний час доби для реплікації ДНК, тому циркадні варіації особливо яскраво проявляються в токсичності різних лікарських препаратів і ефекти опромінення з метою визначити що діляться пухлинні клітини. Ерхард Хаус з колегами домігся значного підвищення відсотка виживання серед мишей, хворих на рак, не збільшуючи дозу ліків, а сконцентрувавши її в той час доби, коли пухлинні клітини імовірно більш чутливі, ніж нормальні.
Все наше повсякденне життя строго укладається в 24-годинні рамки, втому числі і інтенсивність фізіологічних функцій коливається відповідно з найбільш помітним циклом чергування сну-пильнування.
У деяких хворих на діабет можуть виникнути труднощі у встановленні відповідного графіка введення інсуліну. У цих хворих періодичне введення інсуліну в поєднанні з регулярним прийомом їжі і режимом фізичного навантаження виявляється неефективним для підтримки рівня глюкози в крові в нормальних межах. Замість цього можуть бути нерегулярні флуктуації (напр., під час стеження за рівнем глюкози в крові після його підвищення). Для таких пацієнтів необхідно розробляти схеми введення інсуліну, засновані на даних про поточний рівень цукру в крові й розумінні динаміки системи його регулювання.
Багато захворювань людини характеризуються незвичайною і складною динамікою. Аналіз механізмів, що лежать в основі таких захворювань, неминуче пов'язаний з теоретичним аналізом спостереження динаміки. Методи вивчення цих проблем полягають у формулюванні теоретичних і біологічних моделей хвороби. Далекою метою дослідників є допомога в розробці нових діагностичних і терапевтичних стратегій в лікуванні людей.
Таким чином, біологічні ритми є основою раціональної регламентації розпорядку життя людини, оскільки висока працездатність і хороше самопочуття можуть бути досягнуті лише в тому випадку, коли ритм життя відповідає властивому ритму фізіологічних функцій. Однак весь комплекс питань, пов’язаних з біологічними ритмами і їх впливом на життєдіяльність людини, потребує подальших серйозних досліджень.